WO2017025216A1 - Dc-dc converter - Google Patents

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WO2017025216A1 PCT/EP2016/063105 EP2016063105W WO2017025216A1 WO 2017025216 A1 WO2017025216 A1 WO 2017025216A1 EP 2016063105 W EP2016063105 W EP 2016063105W WO 2017025216 A1 WO2017025216 A1 WO 2017025216A1
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Lisa Maier
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Robert Bosch Gmbh
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Abstract

A DC-DC converter (10) and a method for converting a DC voltage are disclosed. The DC-DC converter (10) comprises a number of switches (16, 18) and a temporary storage device (28); an additional switch (34) is mounted in parallel to the intermediate storage device (28) in such a way as to be able to block in both directions.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Gleichspannungswandler  DC converter
Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler und ein Verfahren zum Wandeln einer Gleichspannung, insbesondere mit einem The invention relates to a DC-DC converter and a method for converting a DC voltage, in particular with a
Gleichspannungswandler der beschriebenen Art. DC-DC converter of the type described.
Stand der Technik State of the art
Gleichspannungswandler, die auch als DC/DC-Wandler bezeichnet werden, sind elektrische Schaltungen, die eine Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau wandeln. Diese werden bspw. in Elektrofahrzeugen eingesetzt, um eine elektrische Spannung einer Fahrzeugbatterie in für einzelne Verbraucher geeignete Spannungen zu wandeln. DC-DC converters, also referred to as DC / DC converters, are electrical circuits that convert a DC voltage to a DC voltage having a higher, lower or inverted voltage level. These are used, for example, in electric vehicles to convert an electrical voltage of a vehicle battery in voltages suitable for individual consumers.
Es wird unterschieden zwischen Aufwärtswandlern, die eine Spannung in eine höhere Spannung wandeln und auch als Boost-Converter bezeichnet werden, und Abwärtswandlern, die eine Spannung in eine niedrigere Spannung wandeln und auch als Buck-Converter bezeichnet werden. Als Buck- und Boost-Converter werden Wandler bezeichnet, die sowohl eine Abwärtswandlung als auch eine Aufwärtswandlung durchführen können. A distinction is made between boost converters that convert a voltage to a higher voltage, also referred to as a boost converter, and down converters, which convert a voltage to a lower voltage, also referred to as a buck converter. Buck and boost converters refer to converters that can perform both down-conversion and up-conversion.
Neue Komponenten für Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich, insbesondere für hybride Elektrofahrzeuge, wurden in den letzten Jahren vorgestellt, um neue Systeme zu integrieren, die dazu eingerichtet sind, die Leistungsfähigkeit und Effizienz zu steigern. Die hauptsächlichen Ziele bestehen in der New components for automotive applications, especially for hybrid electric vehicles, have been introduced in recent years to integrate new systems designed to increase performance and efficiency. The main objectives are the
Energieeinsparung und Reduzierung der Schadstoffemission, insbesondere der C02-Reduzierung. Hierzu wurde eine neue eingebettete Versorgung für eine Spannung von 48 V vorgestellt, um die herkömmliche 12 V-Batterie zu unterstützen und ein regeneratives Bremsen mit hoher Leistung zu ermöglichen. Man spricht dann auch von Mehrspannungsnetzen, in diesem Fall von einem Zweispannungsnetz. Die Energieübertragung zwischen den beiden Netzen bzw. Netzwerken in diesem Zweispannungsnetz kann bspw. durch einen Energy saving and reduction of pollutant emissions, especially C0 2 reduction. This was a new embedded supply for a Voltage of 48 V presented to support the conventional 12 V battery and to enable regenerative braking with high performance. One then speaks of multi-voltage networks, in this case of a two-voltage network. The energy transfer between the two networks or networks in this two-voltage network can, for example, by a
bidirektionalen Gleichspannungswandler ermöglicht werden. bidirectional DC-DC converter are possible.
Die Druckschrift "A review of Zero-Voltage Switching and its Importance to Voltage Regulation", Steven Keeping, Contributed by Hearst Electronic Products, 05.08.2014, stellt einen Regelschaltkreis für einen Steven Keeping, Contributed by Hearst Electronic Products, Aug. 5, 2014, provides a control circuit for a "zero-voltage switching and its importance to voltage regulation" publication
Abwärtsgleichspannungswandler vor, der ein Schalten mit Schaltern ohne Spannungsabfall über die Schalter ermöglicht. Bei diesem  Down DC voltage converter that allows switching with switches without voltage drop across the switch. In this
Gleichspannungswandler ist eine Induktivität als Zwischenspeicher vorgesehen, zu der parallel ein einfacher Schalter geschaltet ist. DC-DC converter is an inductance provided as a buffer to which a simple switch is connected in parallel.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden ein Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 vorgestellt. Against this background, a DC-DC converter with the features of claim 1 and a method according to claim 6 are presented.
Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und derEmbodiments emerge from the dependent claims and the
Beschreibung. Description.
Es wird somit eine neuartige Topologie für einen Gleichspannungswandler vorgestellt. Diese neue Topologie geht bspw. auf eine Halbbrückenkonfiguration mit einem weiteren bzw. zusätzlichen Schalter bzw. Hilfsschalter über dem Zwischenspeicher, bspw. der Induktivität, hervor, damit der Strom, bspw. der Induktivitätsstrom, frei laufen kann, wenn die Hauptschalter nicht betätigt werden. Grundsätzlich kann als Zwischenspeicher auch eine Kapazität vorgesehen sein. Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit einer Induktivität, Thus, a novel topology for a DC-DC converter is presented. This new topology is, for example, on a half-bridge configuration with a further or additional switch or auxiliary switch on the latch, eg. The inductance out, so that the current, for example. The inductance, can run freely when the main switch is not operated. In principle, a buffer can also be provided as a buffer. In the following the invention will be described in connection with an inductance,
insbesondere einer Spule, beschrieben, ohne dass dies eine Beschränkung hierauf bedeuten soll. in particular a coil, described without this being a limitation thereto.
Es werden weiterhin zwei Modulationsschemata, das Schema A und das There are still two modulation schemes, schema A and the
Schema B vorgestellt, um ein ZVS- und ZCS-Schalten zu ermöglichen. ZVS (Zero-Voltage Switching) bezeichnet ein spannungsloses Schalten von Schaltern, wie bspw. Schaltransistoren, in elektronischen Schaltungen. ZCS (Zero-Current Switching) bezeichnet ein stromloses Schalten von Schaltern, wie bspw. Scheme B introduced to allow ZVS and ZCS switching. ZVS (Zero Voltage Switching) refers to a de-energized switching of switches, such as, for example, switching transistors, in electronic circuits. ZCS (zero-current switching) refers to a currentless switching of switches, such as.
Schaltransistoren, in elektronischen Schaltungen. Das vorgestellte Verfahren und der beschriebene bidirektionale Switching transistors, in electronic circuits. The presented method and the described bidirectional
Gleichspannungswandler finden insbesondere in Mehrspannungsnetzen, insbesondere in Zweispannungsnetzen, von Kraftfahrzeugen Anwendung. Bei diesen werden bspw. eine 48 V- Versorgung und eine 12 V-Versorgung in einem Netz verwendet. Eine Anwendung findet sich bspw. bei einem regenerativen Bremsen.  DC voltage converters are used in particular in multi-voltage systems, in particular in two-voltage systems, of motor vehicles. In these, for example, a 48 V supply and a 12 V supply are used in a network. An application is found, for example, in a regenerative braking.
Das vorgestellte Verfahren hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen. So sind nur kleine Speicher bzw. Induktivitäten erforderlich, was die notwendige Größe erheblich verringert. Aufgrund der geringen The presented method has, at least in some of the embodiments, a number of advantages. So only small memory or inductors are required, which significantly reduces the necessary size. Due to the low
Schaltverluste wird eine erhöhte Leistungsdichte erreicht. Daher kann auch dieSwitching losses, an increased power density is achieved. Therefore, the
Größe der Komponenten reduziert werden. Aufgrund der geringen Verluste kann die Effizienz gesteigert werden. Weiterhin kann der Spitzen- Rippel-Strom für Teillasten minimiert werden. Size of the components can be reduced. Due to the low losses, the efficiency can be increased. Furthermore, the peak ripple current for partial loads can be minimized.
Außerdem wird ein Betrieb mit konstanten Frequenzen ermöglicht, da variable Frequenzen Schwierigkeiten bei der Dimensionierung der Komponenten verursachen. Außerdem sind verschiedene Modulationsschemata möglich, nämlich A, B, SCM (Synchronous Conduction Mode) und TCM (Triangulär Conduction Mode). Die Regelung wird einfach gehalten. Das Modulationsschema kann mit algebraischen Gleichungen berechnet werden. In addition, operation at constant frequencies is possible because variable frequencies cause difficulty in sizing the components. In addition, various modulation schemes are possible, namely A, B, SCM (Synchronous Conduction Mode) and TCM (Triangular Conduction Mode). The regulation is kept simple. The modulation scheme can be calculated with algebraic equations.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt eine Ausführung des beschriebenen Gleichspannungswandlers. Brief description of the drawings Figure 1 shows an embodiment of the described DC-DC converter.
Figur 2 zeigt in einem Graphen einen Verlauf des Induktionsstroms. FIG. 2 shows in a graph a profile of the induction current.
Figur 3 zeigt in einem Graphen einen Verlauf des Induktionsstroms und einen Verlauf der Spannung über einen Schalter im Abwärtsmodus mit FIG. 3 shows in a graph a profile of the induction current and a profile of the voltage via a switch in the downward mode
Modulastionsschema A. Modulatory scheme A.
Figur 4 zeigt den Stromfluss im Abwärtsmodus in einem ersten und zweiten Zeitraum. Figure 4 shows the current flow in the down mode in a first and second period.
Figuren 5a bis 5c zeigen den Stromfluss im Abwärtsmodus in einem dritten bis achten Zeitraum. Figures 5a to 5c show the current flow in the down mode in a third to eighth period.
Figur 6 zeigt in einem Graphen einen Verlauf des Induktionsstroms und einen Verlauf der Spannung über einen Schalter im Aufwärtsmodus mit FIG. 6 shows in a graph a profile of the induction current and a profile of the voltage via a switch in the up mode
Modulationsschema A. Modulation scheme A.
Figuren 7a bis 7d zeigen den Stromfluss im Aufwärtsmodus in einem ersten bis achten Zeitraum. Figures 7a to 7d show the current flow in the up mode in a first to eighth period.
Figur 8 zeigt den Stromfluss im Aufwärtsmodus in einem neunten und zehnten Zeitraum. Figure 8 shows the current flow in the up mode in a ninth and tenth period.
Figur 9 zeigt in einem Graphen einen Verlauf des Induktionsstroms und einen Verlauf der Spannung über einen Schalter im Abwärtsmodus mit FIG. 9 shows in a graph a profile of the induction current and a profile of the voltage via a switch in the downward mode
Modulationsschema B. Modulation scheme B.
Figur 10 zeigt eine Back-to- Back- Struktur des Hilfsschalters. Figur 11 zeigt die Struktur aus Figur 10. Ausführungsformen der Erfindung Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen FIG. 10 shows a back-to-back structure of the auxiliary switch. Figure 11 shows the structure of Figure 10. Embodiments of the invention The invention is based on embodiments in the drawings
schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die schematically and will be described below with reference to the
Zeichnungen ausführlich beschrieben. Drawings described in detail.
Figur 1 zeigt in einem Blockschaltbild einen Gleichspannungswandler, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Dieser weist einer ersten Anschluss 12, an dem die Spannung Ui anliegt, und einen zweiten Anschluss 14, an dem die Spannung U2 anliegt, auf. Die beiden Anschlüsse 12 und 14 können jeweils entweder als Eingang oder als Ausgang des bidirektionalen FIG. 1 shows in a block diagram a DC-DC converter which is denoted overall by the reference numeral 10. This has a first terminal 12, to which the voltage Ui is applied, and a second terminal 14, to which the voltage U 2 is applied. The two terminals 12 and 14 can each be either as an input or as an output of the bidirectional
Gleichspannungswandlers 10 dienen. Der gezeigte Gleichspannungswandler ist derart eingerichtet, dass am ersten Anschluss 12 eine höhere Spannung als am zweiten Anschluss 14 anliegt. Wird der Gleichspannungswandler 10 daher als Abwärtswandler betrieben, so stellt der erste Anschluss 12 den Eingang und der zweite Anschluss 14 den Ausgang dar. Wird der Gleichspannungswandler 10 als Aufwärtswandler betrieben, so stellt der erste Anschluss 12 den Ausgang und der zweite Anschluss 14 den Eingang dar. Somit kann der Gleichspannungswandler 10 in einer Richtung aufwärts wandeln und in der anderen Richtung abwärts wandeln. DC voltage converter 10 serve. The DC-DC converter shown is set up such that a higher voltage is applied to the first terminal 12 than to the second terminal 14. If the DC-DC converter 10 is therefore operated as a down converter, the first terminal 12 constitutes the input and the second terminal 14 the output. If the DC-DC converter 10 is operated as an up-converter, the first terminal 12 constitutes the output and the second terminal 14 represents the input Thus, DC-DC converter 10 may up-convert in one direction and down-convert in the other direction.
Die Darstellung zeigt weiterhin einen ersten Schalter Si 16 und einen zweiten Schalter S2 18, die jeweils als MOSFET (MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field- Effect Transistor) ausgebildet sind. Diese sind jeweils im Ersatzschaltbild mit Body- Diode 20 bzw. 22 und Kapazität Cossi 24 bzw. Coss2 26 dargestellt. The illustration also shows a first switch Si 16 and a second switch S 2 18, each of which is designed as a MOSFET (MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). These are each shown in the equivalent circuit diagram with body diode 20 or 22 and capacitance C oss i 24 and C oss2 26, respectively.
Weiterhin zeigt die Darstellung einen Zwischenspeicher 28, in diesem Fall eine Spule als induktiven Speicher, und eine erste Kapazität Ci 30 am ersten Furthermore, the illustration shows a buffer 28, in this case a coil as inductive storage, and a first capacitor Ci 30 at the first
Anschlussl2 und eine zweite Kapazität C2 32 am zweiten Anschluss 14. Parallel zum Zwischenspeicher 28 ist ein weiterer Schalter 34 vorgesehen, in diesem Fall der dritte Schalter S3. Dieser dritte Schalter S3 34 umfasst einen ersten MOSFET 36 und einen zweiten MOSFET 38, die in einer Back-to- Back- Anordnung zueinander angeordnet sind, d. h. der Schalter S3 kann derart angesteuert werden, dass dieser in beide Richtungen, d. h. bidirektional, sperrt bzw. blockiert. In Ausgestaltung sind die beiden MOSFETs 36 und 38 unabhängig voneinander anzusteuern. Zu beachten ist, dass der Strom, der in dem dritten Schalter S3 34 fließt, maximal etwa 10 A beträgt, wobei gilt: 10 A = l0: Strom, der im dritten Schalter S3 34 fließt, um die Rippelverluste gering zu halten. Da die Frequenz vorzugsweise konstant ist, wird mit dem dritten Schalter S3 34 erreicht, einen geringen Stromrippel für geringere Ausgabeleistungen zu erreichen, mit dem der Strom iL auf -l0 konstant gehalten werden kann. Da für den Fall, dass der Induktivitätsschalter S3 34 eingeschaltet wird, der Induktivitätsstrom lediglich -10 A beträgt, sind die Anschlußl2 and a second capacitor C 2 32 at the second terminal 14. Parallel to the latch 28, a further switch 34 is provided, in this case, the third switch S 3rd This third switch S 3 34 includes a first MOSFET 36 and a second MOSFET 38, which are arranged in a back-to-back arrangement to each other, ie, the switch S 3 can be controlled such that this in both directions, ie bidirectional, locks or blocks. In an embodiment, the two MOSFETs 36 and 38 are controlled independently of each other. It should be noted that the current flowing in the third switch S 3 34 is a maximum of about 10 A, where: 10 A = l 0 : current flowing in the third switch S 3 34 in order to keep the ripple losses low , Since the frequency is preferably constant, it is achieved with the third switch S 3 34 to achieve a low current ripple for lower output powers, with which the current i L at -l 0 can be kept constant. Since, in the case that the inductance switch S 3 34 is turned on, the inductor current is only -10 A, the
Leistungsverluste, die durch diesen zusätzlichen Schalter S3 34 verursacht werden, verhältnismäßig gering. Power losses caused by this additional switch S 3 34, relatively low.
Da der dritte Schalter S3 34 als Back-to-Back-MOSFET-Konfiguration ausgebildet ist, ist eine Stromleitung in beide Richtungen zu vermeiden, wenn S3 offen ist, aufgrund der intrinsischen antiparallelen Body-Dioden. Die MOSFETs erfordern dieselbe Betriebsspannung wie die MOSFETs des ersten und des zweiten Schalters, da für U2 = 0 V der MOSFET, der direkt mit dem Mittelpunkt der Halbbrücke verbunden ist, der gesamten Spannung Ui ausgesetzt ist, da die Diode des benachbarten MOSFETs leiten würde. Auf diese Back-to-Back- MOSFET-Schalterstruktur wird nachstehend eingegangen. Since the third switch S 3 34 is formed as a back-to-back MOSFET configuration, current conduction in both directions is to be avoided when S 3 is open due to the intrinsic antiparallel body diodes. The MOSFETs require the same operating voltage as the MOSFETs of the first and second switches, since for U 2 = 0 V the MOSFET directly connected to the midpoint of the half-bridge will be exposed to the entire voltage Ui as the diode of the adjacent MOSFET would conduct , This back-to-back MOSFET switch structure will be discussed below.
Die weiteren Figuren nehmen Bezug auf Figur 1, insbesondere auf die in dieser gezeigten Komponenten des Gleichspannungswandlers 10. Auf diese wird durch Angabe von Bezugsziffern Bezug genommen. The further figures refer to FIG. 1, in particular to the components of the DC-DC converter 10 shown therein. Reference is made to this by reference numerals.
Figur 2 zeigt in einem Graphen einen Verlauf des Induktionsstroms. Dabei ist an einer Abszisse 50 die Zeit und an drei Ordinaten 52 der Induktionsstrom iL(t) aufgetragen. Weiterhin ist eine erste Linie 54, die ein Stromniveau +l0 anzeigt, und eine zweite Linie 56, die ein Stromniveau -l0 anzeigt, eingetragen. Die Darstellung zeigt Verläufe des Induktionsstroms im Abwärts- bzw. Buckmodus, und zwar einen ersten Verlauf 60 bei einer Leistung P * 0, einen zweiten Verlauf 62 bei mittlerer Leistung und einen dritten Verlauf 64 bei höherer Leistung P = FIG. 2 shows in a graph a profile of the induction current. In this case, the time is plotted on an abscissa 50 and the induction current i L (t) is plotted on three ordinates 52. Furthermore, a first line 54, which indicates a current level + l 0 , and a second line 56, which indicates a current level -l 0 , registered. The graph shows waveforms of the induction current in buck mode, namely a first trace 60 at power P * 0, a second run 62 at medium power, and a third run 64 at higher power P =
Figur 2 zeigt den Verlauf des Induktionsstroms für drei verschiedene Niveaus der Ausgangsleistung. Nachstehend wird das Funktionsprinzip des Modulationsschemas A im Buck- Modus beschrieben. Figure 2 shows the course of the induction current for three different levels of output power. The functional principle of the modulation scheme A in buck mode is described below.
Figur 3 zeigt in einem Graphen eine erste Kurve 80, die den Verlauf des FIG. 3 shows in a graph a first curve 80 which shows the course of the
Induktionsstroms iL(t) wiedergibt, und eine zweite Kurve 82, die den Verlauf der Spannung US2(t) über den zweiten Schalter S2 wiedergibt. Weiterhin geben Signalverläufe die Schalterstellungen wieder, nämlich ein erster Signalverlauf 84 die Stellung des ersten Schalters Si, ein zweiter Signalverlauf 86 die Stellung des zweiten Schalters S2 und ein dritter Signalverlauf 88 die Stellung des dritten Schalters S3. Wert 1 gibt einen geschlossenen Schalter und Wert 0 einen geöffneten Schalter wieder. Induction current i L (t) reproduces, and a second curve 82, the course of the voltage U S 2 (t) via the second switch S 2 reproduces. Furthermore, waveforms reproduce the switch positions, namely a first waveform 84 the position of the first switch Si, a second waveform 86 the position of the second switch S 2 and a third waveform 88 the position of the third switch S 3rd Value 1 represents a closed switch and value 0 an open switch.
Weiterhin sind Zeitpunkte eingetragen, nämlich ein erster Zeitpunkt to 90, ein zweiter Zeitpunkt 92, ein dritter Zeitpunkt ti 94, ein vierter Zeitpunkt tr 96, ein fünfter Zeitpunkt t20 98, ein sechster Zeitpunkt t2 100, ein siebter Zeitpunkt ΐ2· 102 und ein achter Zeitpunkt Tp 104. Furthermore, time points are entered, namely a first time to 90, a second time 92, a third time ti 94, a fourth time tr 96, a fifth time t 20 98, a sixth time t 2 100, a seventh time ΐ 2 · 102 and an eighth time T p 104.
Außerdem sind eingetragen das Niveau des Induktionsstroms -l0 105, das Niveau des Induktionsstroms +l0 106, das Niveau der Spannung U2 107 und das Niveau der Spannung Ui 108. In addition, the level of the induction current -l 0 105, the level of the induction current + l 0 106, the level of the voltage U 2 107 and the level of the voltage Ui 108 are entered.
Figur 4 zeigt in dem bidirektionalen Gleichspannungswandler 10 mit drei Schaltern aus Figur 1 den Stromfluss im Abwärtsmodus, wobei die FIG. 4 shows, in the bidirectional DC-DC converter 10 with three switches from FIG. 1, the current flow in the downwards mode, wherein the
stromdurchflossenen Leitungen und Komponenten mit durchgezogenen Linien und die nicht stromdurchflossenen Leitungen und Komponenten gepunktet dargestellt sind. current-carrying lines and components with solid lines and the non-current-carrying lines and components are shown dotted.
In einer ersten Darstellung 110 ist der Zeitraum to- < t < ti dargestellt, eine zweite Darstellung 112 zeigt den Zeitraum ti < t < tr. In a first representation 110, the time period to- <t <ti is shown, a second representation 112 shows the period ti <t <tr.
Figuren 5a bis 5c zeigen eine Darstellung entsprechend Figur 4, in der sechs Zeiträume wiedergegeben sind. Eine erste Darstellung 120 zeigt den Zeitraum tr < t < t20, eine zweite Darstellung 122 zeigt den Zeitraum t20 < t < t2, eine dritte Darstellung 124 zeigt den Zeitraum t2 < t < ΐ2·, eine vierte Darstellung 126 und eine fünfte Darstellung 128 zeigen den Zeitraum t2' < t < Tp, eine sechste FIGS. 5a to 5c show a representation corresponding to FIG. 4, in which six periods are reproduced. A first representation 120 shows the period tr <t <t 20 , a second representation 122 shows the period t 20 <t <t 2 , a third representation 124 shows the period t 2 <t <ΐ 2 ·, a fourth representation 126 and a fifth representation 128 shows the period t 2 '<t <T p , a sixth
Darstellung 130 zeigt den Zeitraum to < t < . Representation 130 shows the time period to <t <.
Auf die einzelnen Zeitintervalle wird nachfolgend im einzelnen eingegangen: The individual time intervals are discussed in detail below:
1. Zeitintervall vor to 1st time interval before to
Vor dem Zeitpunkt to ist der Schalter S3 geschlossen (Darstellung 128), was ermöglicht, dass der Induktionsstrom frei in seinem eigenen geschlossenen Pfad fließen kann. Der einzige Widerstand, dem dieser Strom ausgesetzt ist, ist der Innenwiderstand der Induktivität L und der Widerstand RdS(0n) der Back-to-Back- MOSFETs, die den Schalter S3 bilden. Figur 3 zeigt den idealen Fall, bei dem der Strom konstant bei -l0 bleibt, bis S3 geöffnet wird. Im realen Fall wird der Strom aufgrund der verschiedenen Widerstande durch diesen Pfad langsam auf null absinken. S3 wird zu einem Zeitpunkt vor ti geöffnet sein, wobei den Kapazitäten Cossi = Coss und C0Ss2 = Coss genügend Zeit gegeben wird, auf null zu entladen bzw. auf Ui aufzuladen, um ZVS und ZCS des Schalters Si sicherzustellen. Dieser Übergang kann in Darstellung 130 gesehen werden. Prior to time to, switch S 3 is closed (plot 128), allowing the induction current to flow freely in its own closed path. The only resistor to which this current is exposed is the internal resistance of the inductor L and the resistor Rd S ( 0 n) of the back-to-back MOSFETs forming the switch S 3 . FIG. 3 shows the ideal case in which the current remains constant at -l 0 until S 3 is opened. In the real case, the current will slowly drop to zero due to the various resistances through this path. S 3 will be open at a time prior to ti, with sufficient time for the capacitances Cossi = Coss and C 0S s2 = Coss to discharge to zero or charge Ui to ensure ZVS and ZCS of the switch Si. This transition can be seen in Chart 130.
2. Zeitintervall to < tff 2. Time interval to <t ff
Wenn S3 abgeschaltet wurde und die MOSFET-Ausgangskapazität damit abgeschlossen haben, ihre Ladung auszutauschen, wird die obere Diode damit anfangen zu leiten, da diese in Vorwärtsrichtung betrieben ist, und zwar hat C0SS2 und damit die Anode der Diode die Eingangsspannung Ui erreicht. Während dieses Zeitraums, bevor der Induktionsstrom Null erreicht und damit beginnt, in positiver Richtung zu fließen, kann der obere Schalter Si bei ZVS- und ZCS- Bedingungen eingeschaltet werden. If S 3 has been turned off and the MOSFET output capacitance has finished exchanging its charge, the upper diode will begin to conduct as it is forward biased , C 0SS 2 and hence the anode of the diode has reached the input voltage Ui , During this period, before the induction current reaches zero and begins to flow in the positive direction, the upper switch Si may be turned on in ZVS and ZCS conditions.
3. Zeitintervall < t 3. Time interval <t
Sobald Si eingeschaltet ist, kann der Strom durch diesen fließen und hin zu dem Spitzenstrom der Kurve der Darstellung 1 10 ansteigen. Die Spannung über der Induktivität zu diesem Zeitpunkt beträgt Ui - U2. 4. Zeitintervall ti < t Once Si is on, the current can flow through it and rise to the peak current of the graph of FIG. The voltage across the inductor at this time is Ui - U 2 . 4. Time interval ti <t
In diesem Zeitintervall wird der obere Schalter ausgeschaltet, worauf eine Resonanzphase folgt. Die obere Kapazität des Schalters Si beginnt mit dem Laden und die untere mit dem Entladen. Wenn der untere Kondensator C0SS2 vollständig entladen ist, beginnt seine parallele Diode zu leiten (Darstellung 120), so dass eine ähnliche Situation wie im zweiten Zeitintervall entsteht. Während dieses Zeitintervalls leitet die Diode D2. Daher ist es am besten, dieses Intervall so kurz wie möglich zu gestalten, um unnötige Leistungsverluste über der Diode zu vermeiden. Es sollte jedoch sichergestellt werden, dass der Schalter Si vollständig abgeschaltet ist, bevor S2 eingeschaltet wird. In this time interval, the upper switch is turned off, followed by a resonance phase. The upper capacity of the switch Si starts charging and the lower one discharging. When the lower capacitor C 0SS 2 is completely discharged, its parallel diode starts to conduct (display 120), so that a similar situation arises as in the second time interval. During this time interval, diode D 2 conducts. Therefore, it is best to make this interval as short as possible to avoid unnecessary power losses across the diode. However, it should be ensured that the switch Si is completely turned off before S 2 is turned on.
5. Zeitintervall tr < t20 5. Time interval tr <t 20
Der Schalter S2 leitet nunmehr einen Strom, der auf Null absinken wird und die Induktivität L über C2 entlädt. Die Spannung über die Induktivität ist nunmehr -U2 (Darstellung 120). The switch S 2 now conducts a current that will drop to zero and the inductance L discharges via C 2 . The voltage across the inductor is now -U 2 (plot 120).
6. Zeitintervall t2o ^ t2> 6. Time interval t 2 o ^ t 2 >
Sobald der Induktionsstrom den Wert Null erreicht, da der Schalter S2 eingeschaltet bleibt, fährt dieser damit fort, in die entgegengesetzte Richtung zu fließen (Darstellung 122), was zu negativen Werten führt. Sobald dieser den erwünschten -l0 erreicht, schaltet der Schalter S2 aus bei dem Zeitpunkt t2. Wenn dies passiert, folgt erneut eine Resonanzphase, in der die Kapazität C0SS2 damit beginnt aufzuladen (Darstellung 124). Wenn dieser ladend gelassen wird, kann dessen Spannung bis Ui ansteigen. In diesem Moment würde die Diode D-ι den Strom übernehmen. Da jedoch S3 während dieser Phase eingeschaltet wird, wäre der ideale Zeitpunkt dann, wenn C0SS2 die Spannung UCOss,2 = U2 erreicht, unter Berücksichtigung, dass andererseits gesammelte Überladung über den Schalter S3 auf C0Ss2 fließen würde, was Strom-Spikes induziert und daher Once the induction current reaches zero since the switch S 2 remains on, it will continue to flow in the opposite direction (Figure 122), resulting in negative values. As soon as it reaches the desired -l 0 , the switch S 2 switches off at the time t 2 . When this happens, another resonant phase follows, in which the capacitance C 0SS 2 begins to charge ( plot 124). When this is left charging, its voltage can rise to Ui. At this moment, the diode D-ι would take over the power. However, since S 3 is turned on during this phase, the ideal time would be when C 0SS 2 reaches the voltage U CO ss, 2 = U 2 , considering that on the other hand accumulated over- charge would flow to C 0S s2 via switch S 3 which induces current spikes and therefore
Schaltungsverluste bei dem Innenwiderstand von S3 verursacht. Der schlimmste Fall würde auftreten für den Fall, dass C0SS2 die Spannung Ui erreicht hätte, bevor S3 eingeschaltet ist. Die ZVS-Bedingung wird hier auf diese Weise erreicht für S3 (Darstellung 126), was den Moment zeigt, in dem S3 eingeschaltet wird, während die Kapazitätsbrücke mit der Induktivität L schwingt. Die Innenkapazität von S3 wird ebenfalls laden und entladen in Abhängigkeit des Zustande, in dem sich der Wandler befindet. Circuit losses caused by the internal resistance of S 3 . The worst case would occur in the event that C 0SS 2 had reached voltage Ui before S 3 is on. The ZVS condition is hereby achieved for S 3 (plot 126), which shows the moment in which S 3 is turned on, while the capacitance bridge oscillates with the inductance L. The internal capacity of S 3 will also charge and discharge depending on the condition in which the converter is located.
7. Zeitintervall ΐ2· ^ TP 7. Time interval ΐ 2 · ^ T P
In dieser Phase wird der Induktionsstrom weitgehend konstant durch den Schalter S3 gehalten. Die Dauer dieser Phase hält an, bis der Zyklus endet. Bevor Si wieder für einen neuen Zyklus schließt würde die Spannung darüber wiederum den Wert Null erreichen. Dies wird zwischen dem Ausschalten von S3 und dem Einschalten von Si erreicht, was dazu führt, dass die Spannung UCoss,2 über der Kapazität damit fortfährt anzusteigen, wenn in der Induktivität noch Energie gespeichert ist, d. h. UCoss,2 = U2 steigt auf Ui . Das Gegenteil passiert für Cossi, der vollständig entladen wird. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Diode damit zu leiten, was den Schalter Si unter ZVS- und ZCS-Bedingung einschalten lässt. In this phase, the induction current is kept substantially constant by the switch S 3 . The duration of this phase continues until the cycle ends. Before Si closes again for a new cycle, the voltage over it would again reach zero. This is achieved between turning off S 3 and turning on Si, which causes the voltage U C oss, 2 above the capacitance to continue rising when energy is still stored in the inductor, ie U c oss, 2 = U 2 rises to Ui. The opposite happens for Cossi, who is completely unloaded. At this time, the diode starts to conduct, causing the switch Si to turn on under ZVS and ZCS conditions.
Da der Stromfluss in Vorwärtsmodus, dem Abwärts- bzw. Buck-Modus, als positiv definiert ist, wird die Boost-Modusfunktion entsprechend mit einem negativen Strom während der Phase beschrieben, in der die Induktivität Energie von der Eingangsspannung U2 speichert. Since the current flow in forward mode, the buck mode, is defined as positive, the boost mode function is correspondingly described with a negative current during the phase in which the inductor stores energy from the input voltage U 2 .
Nachstehend wird das Funktionsprinzip des Modulationschemas A im Boost- Modus beschrieben. The following describes the principle of operation of the modulation scheme A in boost mode.
Figur 6 zeigt entsprechend Figur 3 in einem Graphen eine erste Kurve 180, die den Verlauf des Induktionsstroms iL(t) wiedergibt, und eine zweite Kurve 182, die den Verlauf der Spannung US2(t) über den zweiten Schalter S2 wiedergibt. FIG. 6 shows, in a graph, a first curve 180, which represents the profile of the induction current i L (t), and a second curve 182, which reproduces the profile of the voltage U S 2 (t) via the second switch S 2 ,
Weiterhin geben Signalverläufe die Schalterstellungen wieder, nämlich ein erster Signalverlauf 184 die Stellung des ersten Schalters Si, ein zweiter Signalverlauf 186 die Stellung des zweiten Schalters S2 und ein dritter Signalverlauf 188 die Stellung des dritten Schalters S3. Stellung 1 gibt einen geschlossenen Schalter und Stellung 0 einen geöffneten Schalter wieder. Furthermore, signal curves reproduce the switch positions, namely a first signal curve 184 the position of the first switch Si, a second signal curve 186 the position of the second switch S 2 and a third signal curve 188 the position of the third switch S 3 . Position 1 is a closed switch and position 0 is an open switch again.
Weiterhin sind Zeitpunkte eingetragen, nämlich ein erster Zeitpunkt to 190, ein zweiter Zeitpunkt 192, ein dritter Zeitpunkt ti 194, ein vierter Zeitpunkt tr 196, ein fünfter Zeitpunkt t20 198, ein sechster Zeitpunkt t2 200, ein siebter Zeitpunkt ΐ2· 202 und ein achter Zeitpunkt Tp 204. Furthermore, times are entered, namely a first time to 190, a second time 192, a third time ti 194, a fourth time tr 196, a fifth time t 20 198, a sixth time t 2 200, a seventh time ΐ 2 · 202, and an eighth time T p 204.
Außerdem sind eingetragen das Niveau des Induktionsstroms -l0 205, das Niveau des Induktionsstroms +l0 206, das Niveau der Spannung U2 207 und das Niveau der Spannung Ui 208. Also entered are the level of the induction current -l 0 205, the level of the induction current + l 0 206, the level of the voltage U 2 207 and the level of the voltage Ui 208.
Der Verlauf des Induktionsstroms im Boost-Modus ist somit in Figur 6 dargestellt. Ähnlich zu dem Buck-Modus, in dem es drei Stufen gibt, in denen die Energie zunächst in der Induktivität gespeichert wird, während S2 geschlossen ist, später freigeschaltet wird, um durch Si zu der Ausgangskapazität Ci zu fließen und schließlich konstant durch den Schalter S3 gehalten wird. Der dritte Schalter wird auf dieselbe Weise verwendet, um einen Strom iL niedrig zu halten und um Verluste bei dem Schalter Si zu vermeiden. The course of the induction current in the boost mode is thus shown in FIG. Similar to the buck mode, where there are three stages in which the energy is first stored in the inductor while S 2 is closed, later enabled to flow through Si to the output capacitance Ci and finally constant through the switch S 3 is held. The third switch is used in the same way to keep a current i L low and to avoid losses in the switch Si.
Figur 7 zeigt in dem bidirektionalen Gleichspannungswandler 10 mit drei Figure 7 shows in the bidirectional DC-DC converter 10 with three
Schaltern aus Figur 1 den Stromfluss im Aufwärtsmodus, wobei die Switches of Figure 1, the current flow in the up mode, the
stromdurchflossenen Leitungen und Komponenten mit durchgezogenen Linien und die nicht stromdurchflossenen Leitungen und Komponenten gepunktet dargestellt sind. current-carrying lines and components with solid lines and the non-current-carrying lines and components are shown dotted.
In Figuren 7a bis 7d sind acht Zeiträume dargestellt, diese sind: FIGS. 7a to 7d show eight time periods, these being:
220: ίο· < ti, 222: ti < tr, 224: tr < t20, 226: tr < t20, 228: t20 < t2, 230: t2 < tz, 232 und 234: t2. < Tp. 220: ίο · <ti, 222: ti t r , 224: t r <t 20 , 226: t r <t 20 , 228: t 20 <t 2 , 230: t 2 <t z , 232 and 234: t 2 . <T p .
Figur 8 ist eine Darstellung entsprechend Figur 7, wobei gilt: 240: to < tff, 242: to < FIG. 8 is a representation corresponding to FIG. 7, where: 240: to <t ff , 242: to <
Auf die einzelnen Zeiträume wird nachstehend eingegangen: The individual periods are described below:
1 . Zeitintervall to < tff 1 . Time interval to <t ff
Hier wird der Schalter S3 geöffnet und nach einer Resonanzoszillation der Ausgangskapazitäten wird die Diode D2 leiten, was es S2 ermöglicht, einzuschalten mit ZVS und ZCS für den Zyklus, der beginnt. Dies kann in Figur 8 gesehen werden. Here, the switch S 3 is opened and after a resonance oscillation of the output capacitances, the diode D 2 will conduct, allowing S 2 , turn on with ZVS and ZCS for the cycle starting. This can be seen in FIG.
2. Zeitintervall h < 2nd time interval h <
52 ist leitend und die Induktivität wird geladen. Die Spannung über die Induktivität ist -U2. Die verschiedenen Phasen des Boost-Modus werden in Figur 7 in der Darstellung 200 gezeigt. 5 2 is conductive and the inductance is charged. The voltage across the inductor is -U 2 . The various phases of the boost mode are shown in FIG. 7 in illustration 200.
3. Zeitintervall ti < tr 3. Time interval ti <t r
Während dieser Übergangsphase tauschen die Kapazitäten Cossi und C0SS2 ihre Ladungen aus (Darstellung 222). Die Diode D-ι beginnt damit zu leiten, sobald die Spannung Ui über C0SS2 erreicht ist. During this transition phase , the capacitances C oss i and C 0SS 2 exchange their charges ( Figure 222). The diode D-ι begins to conduct with it as soon as the voltage Ui is reached via C 0SS 2.
4. Zeitintervall tr < t2 4. Time interval t r <t 2
Nun beträgt die Induktivitätsspannung Ui - U2, somit beginnt der Strom zu steigen und wenn dieser den Wert Null erreicht, fließt dieser in positive Richtung und Si wird eingeschaltet gelassen, bis dieser l0 erreicht (Darstellung 228). Now, the inductance voltage is Ui-U 2 , so the current starts to rise and when it reaches zero, it flows in the positive direction and Si is left on until it reaches I 0 (plot 228).
5. Zeitintervall t2 ^ t2> 5. Time interval t 2 ^ t 2 >
Bei diesem Zeitpunkt lädt die Resonanzoszillation Cossi und entlädt C0SS2- Auch im Boost-Modus kann die Spannung über C0SS2 nur absinken, bis diese U2 erreicht, so dass S3 bei Nullspannung eingeschaltet werden kann. Es wird auf Darstellungen 230-232 verwiesen. At this time, resonant oscillation charges C oss i and discharges C 0SS 2- Even in boost mode, the voltage across C 0SS 2 can only drop until it reaches U 2 , so that S 3 can be turned on at zero voltage. Reference is made to illustrations 230-232.
6. Zeitintervall t2 ^ Τρ· 6. Time interval t 2 ^ Τ ρ ·
53 bleibt leitend bis zum Ende der Periode. 5 3 remains conductive until the end of the period.
Nachstehend wird das Funktionsprinzip des Modulationsschemas B erläutert: Es wird somit ein weiteres Steuerverfahren vorgestellt, um ZVS und/oder ZCS für alle Schalter des Wandlers zu erreichen. Dieses Modulationsschema verbessert effektiv den Übergang von S2 zu S3 und das switching ringing, d. h. die The functional principle of modulation scheme B is explained below: Thus, another control method is presented to achieve ZVS and / or ZCS for all switches of the converter. This modulation scheme effectively improves the transition from S 2 to S 3 and switching ringing, ie
Oszillierung, die durch dem Übergang des Stromes von einem Schalter zum anderen verursacht wird, wird vermieden. Gegenüber dem Verhalten im 6. Oscillation caused by the passage of current from one switch to another is avoided. Compared to the behavior in the 6.
Zeitintervall muss man nicht wie bei Modulationsschema A berücksichtigen, dass C0Ss2 im Buck-Modus die Spannung U2 erreicht, da hier der Übergang auf natürlicher Weise passiert. Der Strom wird ohne Ringing vom Hilfsschalter S3 übernommen. Das gleiche gilt für Boost-Modus (5. Zeitintervall t2 ^ t2'): der Strom wird ohne Ripple von Si zu S3 übernommen. Vollständige ZVS und ZCS für alle Schalter bedeutet theoretisch keine Schaltverluste. It is not necessary to consider the time interval as in the case of modulation scheme A, that C 0S s2 reaches the voltage U 2 in buck mode, since the transition occurs naturally here. The current is taken over by the auxiliary switch S 3 without ringing. The same applies to boost mode (5th time interval t 2 ^ t 2 '): the current is taken over without ripple from Si to S 3 . Complete ZVS and ZCS for all switches theoretically means no switching losses.
Das neue Modulationsschema für den dritten Schalter, der die beiden MOSFETs Qi 300 und Q2 302 (Figur 10) separat steuert, sollte auf die folgende Weise implementiert werden. Figur 9 zeigt die neuen Steuersignale im Buck-Modus. Die beiden Schalter Si und S2 werden auf dieselbe Weise wie zuvor gesteuert, der MOSFET Qi 300 schaltet jedoch ein, nachdem S2 bei tr 298 eingeschaltet wurde. The new modulation scheme for the third switch, which separately controls the two MOSFETs Qi 300 and Q 2 302 (Figure 10), should be implemented in the following manner. FIG. 9 shows the new control signals in buck mode. The two switches Si and S 2 are controlled in the same manner as before, however, the MOSFET Qi 300 turns on after S 2 is turned on at t r 298.
Figur 9 zeigt entsprechend Figuren 3 und 6 in einem Graphen eine erste Kurve 280, die den Verlauf des Induktionsstroms iL(t) wiedergibt, und eine zweite Kurve 282, die den Verlauf der Spannung Us2(t) über den zweiten Schalter S2 wiedergibt. Weiterhin geben Signalverläufe die Schalterstellungen wieder, nämlich ein erster Signalverlauf 284 die Stellung des ersten Schalters Si, ein zweiter Signalverlauf 286 die Stellung des zweiten Schalters S2, ein dritter Signalverlauf 288a die Stellung des Schalters Q-i 300, und ein vierter FIG. 9 shows, according to FIGS. 3 and 6, in a graph, a first curve 280 which represents the profile of the induction current i L (t), and a second curve 282 which shows the profile of the voltage Us 2 (t) via the second switch S 2 reproduces. Furthermore, waveforms reproduce the switch positions, namely a first waveform 284 the position of the first switch Si, a second waveform 286 the position of the second switch S 2 , a third waveform 288a the position of the switch Qi 300, and a fourth
Signalverlauf 288b die Stellung des Schalters Q2 302. Stellung 1 gibt einen geschlossenen Schalter und Stellung 0 einen geöffneten Schalter wieder. Signal curve 288b shows the position of the switch Q 2 302. Position 1 indicates a closed switch and position 0 an opened switch.
Weiterhin sind Zeitpunkte eingetragen, nämlich ein erster Zeitpunkt to 290, ein zweiter Zeitpunkt e 292, ein dritter Zeitpunkt ti 294, ein vierter Zeitpunkt tr 296, ein fünfter Zeitpunkt tr 298 ein sechster Zeitpunkt t20 300, ein siebter Zeitpunkt t2 302, ein achter Zeitpunkt t2' 304 und ein neunter Zeitpunkt Tp 306. Außerdem sind eingetragen das Niveau des Induktionsstroms -l0 308, das Niveau des Induktionsstroms +l0 310, das Niveau der Spannung U2 312 und das Niveau der Spannung Ui 314. Furthermore, time points are entered, namely a first time to 290, a second time e 292, a third time ti 294, a fourth time tr 296, a fifth time tr 298 a sixth time t 20 300, a seventh time t 2 302 eighth time t 2 '304 and a ninth time T p 306. Also indicated are the level of the induction current -l 0 308, the level of the induction current + l 0 310, the level of the voltage U 2 312 and the level of the voltage Ui 314.
Figur 10 zeigt eine Back-to-Back-Struktur des Schalter S3 34 aus Figur 1 im Ersatzschaltbild. Die Darstellung zeigt einen ersten Schalter Q-i 300, einen zweiten Schalter Q2 302, eine erste Kapazität 304, eine zweite Kapazität 306, eine erste Diode DQ1 308 und eine zweite Diode DQ2 310. Ein erster Punkt A 312 und ein zweiter Punkt B 314 sind ebenfalls bezeichnet. Figure 10 shows a back-to-back structure of the switch S 3 34 of Figure 1 in the equivalent circuit diagram. The illustration shows a first switch Qi 300, a second switch Q 2 302, a first capacitance 304, a second capacitance 306, a first diode D Q1 308 and a second diode D Q2 310. A first point A 312 and a second point B 314 are also designated.
Da bei dem Zeitpunkt tr 296, bei dem S2 leitet, Punkt A 312 in Figur 10 auf Null herabgezogen wurde, wird der dritte Schalter S3 noch nicht leiten, da die Diode DQ2 in Rückwärtsrichtung betrieben wird und Q2 offen ist. Daher kann Q-ι ohne Strombelastung eingeschaltet werden (Zeitpunkt tr 298), und daher treten keine Schaltungsverluste auf. Die Diode DQ2 wird die Spannung U2 blockieren, während S2 leitet. Since at point in time t r 296 at which S 2 conducts, point A 312 in FIG. 10 has been pulled down to zero, third switch S 3 will not conduct yet since diode D Q2 is operated in the reverse direction and Q 2 is open. Therefore, Q-1 can be turned on without current load (time t r 298), and therefore no circuit losses occur. Diode D Q2 will block voltage U 2 while S 2 conducts.
Sobald der Induktionsstrom -l0 erreicht und S2 ausgeschaltet wird (Zeitpunkt t2 302), werden die zu dem MOSFET parallelen Kapazitäten ihre As soon as the induction current -l reaches 0 and S 2 is switched off (time t 2 302), the capacitances parallel to the MOSFET become their
Ladungsübergänge beginnen und UCoss2 wird damit beginnen, von Null auf U2 aufzuladen. Sobald die Spannung die Ausgangsspannung beim Punkt A erreicht hat, wird die Spannung gleich U2 sein und die Diode DQ2 wird in Vorwärtsrichtung betrieben werden, da der Strom natürlich auf Qi kommutieren wird, der zuvor eingeschaltet wurde, und dieser wird durch Q-ι und DQ2 fließen. Zu diesem Zeitpunkt kann der MOSFET Q2 eingeschaltet werden (Zeitpunkt t2> 304), um Leitungsverluste zu verringern, die durch die Freilaufdiode DQ2 verursacht werden. Da die antiparallele Diode DQ2 den Strom leiten wird, wird der MOSFET Q2 ebenfalls ohne Strom- und Spannungsbelastung eingeschaltet werden. Charge transitions begin and U C oss 2 will begin charging from zero to U 2 . Once the voltage has reached the output voltage at point A, the voltage will be equal to U 2 and the diode D Q2 will be operated in the forward direction, since the current will of course commute to Qi, which was previously turned on, and this will be Q-ι and D Q2 flow. At this time, the MOSFET Q 2 may be turned on (time t 2 > 304) to reduce conduction losses caused by the free-wheeling diode D Q2 . Since the antiparallel diode D Q2 will conduct the current, the MOSFET Q 2 will also be turned on without current and voltage stress.
Dies gilt auch für den Boost-Modus, wenn der obere Schalter Si leitet und der Induktionsstrom sinkt, zwischen t und t2 in Figur 6, kann der MOSFET Q2 zu jedem Zeitpunkt nach Si eingeschaltet werden, da dessen Serien-Diode DQ1 die Spannung Ui - U2 zu diesem Zeitpunkt blockieren wird, d. h. Rückwärtsbetrieb von DQi. Der MOSFET Q2 kann daher ohne Strombelastung eingeschaltet werden und kein Strom wird durch diesen fließen, solange Si eingeschaltet ist. Wenn Si beim Zeitpunkt t2 ausgeschaltet wird, beginnt die Resonanzphase der Kapazität und die Kapazität C0SS2 beginnt damit, von Ui auf Null zu entladen. Wenn dieser Prozess beginnt ist Punkt A in Figur 10 gleich Ui. Sobald die Spannung in dem Knoten U2 erreicht hat, wird die Diode DQ1 in Vorwärtsrichtung betrieben und da Q2 bereits eingeschaltet ist, wird der Strom damit beginnen, problemlos durch Q2 und DQ1 zu fließen, da der Induktionsstrom natürlich über den Schaler S3 gehen wird und keine Schwingung erzeugt. Während dieser Phase kann Q-ι zu jedem Zeitpunkt geschaltet werden. Auch für diesen Fall wird ZVS und ZCS erreicht, da die antiparallele Diode Strom leitet. This also applies to the boost mode, when the upper switch Si conducts and the induction current decreases, between t and t 2 in Figure 6, the MOSFET Q 2 can be switched to Si at any time since its series diode D Q1 the Voltage Ui - U 2 will block at this time, ie reverse operation of D Q i. The MOSFET Q 2 can therefore be turned on without current load and no current will flow through it as long as Si is turned on. When Si is turned off at time t 2 , the resonant phase of the capacitance starts and the capacitance C 0SS 2 starts to discharge from Ui to zero. When this process starts, point A in Figure 10 is Ui. Once the voltage in the node reaches U 2 , the diode D Q1 is forward biased, and since Q 2 is already on, the current will begin to flow smoothly through Q 2 and D Q1 , since the induction current will, of course, be through the shifter S 3 will go and produces no vibration. During this phase Q-ι can be switched at any time. Also in this case, ZVS and ZCS are achieved because the antiparallel diode conducts current.
Dieser Wandler kann somit auf solche Weise geregelt werden, dass nahezu keine Schaltverluste zu verzeichnen sind. This converter can thus be controlled in such a way that almost no switching losses are recorded.
Die Schaltzeiten können auf eine solche Weise berechnet werden, dass die erforderliche Leistung übertragen wird und gleichzeitig für alle Schalter ZVS erreicht wird. Die folgenden Berechnungen gelten unter der Bedingung, dass alle Komponenten sich ideal verhalten, keine Verluste und Verzögerungen haben und konstante Werte aufweisen. The switching times can be calculated in such a way that the required power is transmitted and achieved simultaneously for all switches ZVS. The following calculations apply on the condition that all components behave ideally, have no losses and delays, and have constant values.
Einige Annahmen müssen getroffen werden für die Berechnung der Some assumptions must be made for the calculation of
Einschaltdauern der Schalter: Switch-on duration of the switches:
Vernachlässigung der Resonanzphasen t0 => tff, t-ι => t und t2 => t2>, Neglecting the resonance phases t 0 => t ff , t-1 => t and t 2 => t 2 >,
Vernachlässigung der Leistungsverluste,  Neglect of power losses,
konstante Spannungen Ui und U2, constant voltages Ui and U 2 ,
der minimale Strom l0 wird immer erreicht. the minimum current I 0 is always reached.
Bei den folgenden Berechnungen wird der Buckmodus auf die herkömmliche Weise betrachtet, wobei die Eingangsspannung Uein = Ui und die In the following calculations, the buck mode is considered in the conventional manner, with the input voltage U e i n = U i and the
Ausgangsspannung UaUs = U2. Output voltage U aU s = U 2 .
Zunächst wird der Induktionsstrom und die Induktionsspannung im Buckmodus betrachtet: Eingangs- und Ausgangsspannung: Ui = Uem (höhere Spannung); U2 = U First, the induction current and the induction voltage in the bucking mode are considered: Input and output voltage: Ui = U e m (higher voltage); U 2 = U
(niedrigere Spannung) (lower voltage)
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0001
Wenn angenommen wird, dass der Induktionsstrom vor jedem neuen Zyklus bei ii_(to) = -lo beginnt, kann die Induktionsstromfunktion für jede Schaltstufe werden zu: Assuming that the induction current begins before each new cycle at ii_ (to) = -lo, the induction current function for each switching stage may become:
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000017_0002
Nunmehr wird der Induktionsstrom und die Induktionsspannung im Boostmodus betrachtet: Now consider the induction current and the induction voltage in boost mode:
Eingangs- und Ausgangsspannung im Bereich: Ui = Uem (niedrigere Spannung), U2 = Uaus (höhere Spannung) Input and output voltage in the range: Ui = U e m (lower voltage), U2 = Uout (higher voltage)
Die Spannung über der Induktivität im Boostmodus ist wie folgt definiert: The voltage across the inductor in boost mode is defined as follows:
u 0 < t < tl u 0 <t <t l
UL (t) u (3) U L (t) u (3)
h < t < Tp h <t <T p
Ähnlich zum Buckmodus kann der Induktionsstrom für den Boostmodus wie folgt definiert werden:
Figure imgf000018_0001
Similar to the buck mode, the induction current for the boost mode can be defined as follows:
Figure imgf000018_0001
Die maximale Leistung muss bis zum Zeitpunkt t1 von der Eingabe übertragen und in der Induktivität gespeichert werden. Für die Eingangsleistung P1 gilt: The maximum power must be transmitted by the input and stored in the inductance until time t1. For the input power P1 applies:
Figure imgf000018_0002
wobei der Eingangsstrom l1 avg (avg = Average = Mittelwert) ebenfalls der Strom ist, der durch den Schalter Si fließt. Anhand dieser Gleichung kann die Einschaltzeit des Schalters Si im Buckmodus berechnet werden:
Figure imgf000018_0002
wherein the input current I avg (avg = Average) is also the current flowing through the switch Si. Based on this equation, the switch-on time of the switch Si can be calculated in buck mode:
Figure imgf000018_0003
Figure imgf000018_0003
Es ergibt sich eine quadratische Gleichung für und da Pi = P2 = P gilt: The result is a quadratic equation for and since Pi = P 2 = P holds:
Figure imgf000018_0004
Figure imgf000018_0004
Aufgelöst nach ergibt das:
Figure imgf000019_0001
Resolved by this gives:
Figure imgf000019_0001
Anhand der sogenannten Volt Second Gleichung, die das Prinzip der Volt-Sekunde- Balance berücksichtigt, kann auf einfache Weise die Einschaltzeit von S2, nämlich t2,( berechnet werden:
Figure imgf000019_0002
On the basis of the so-called volt second equation, which takes into account the principle of the volt-second balance, the on-time of S 2 , namely t 2, ( can be calculated in a simple manner:
Figure imgf000019_0002
Die dritte Gleichung wird erhalten durch die Differenz zwischen der Periode Tp und den Einschaltzeiten t-ι + t2,ein- = Tp - ty - t 2,ON (10) The third equation is obtained by the difference between the period T p and the switch-on times t- 1 + t 2 , e in = T p -t y -t 2, ON (10)
Der effektive Induktionsstrom wird wie folgt berechnet: The effective induction current is calculated as follows:
L,rms ,BUCK (1 1 )L, rms, BUCK (1 1)
Figure imgf000019_0003
Figure imgf000019_0003
wobei U1 die Eingangsspannung im Buckmodus auf der Hochvoltseite ist. Der effektive Induktionsstrom wird wie folgt berechnet: where U1 is the input voltage in buck mode on the high voltage side. The effective induction current is calculated as follows:
Figure imgf000019_0004
wobei hierbei die Eingangsspannung bestimmt ist für die Eingangsspannung U1 (niedrigere Spannung) im Boostmodus. Der durchschnittliche Induktionsstrom bestimmt sich aus:
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000019_0004
in which case the input voltage is determined for the input voltage U 1 (lower voltage) in boost mode. The average induction current is determined by:
Figure imgf000020_0001
(13) (13)
Figur 1 1 wird die Back-to-Back-Struktur des dritten Schalters S3 näher erläutern. Figure 1 1 will explain the back-to-back structure of the third switch S 3 in more detail.
Figur 1 1 zeigt den dritten Schalter S3 34 aus Figur 10, wobei zusätzlich ein Spannungsabfall Ui - U2 über den ersten Schalter Q-i 300 mit einem Pfeil 330 verdeutlicht ist. Figure 1 1 shows the third switch S 3 34 of Figure 10, wherein in addition a voltage drop Ui - U 2 via the first switch Qi 300 is illustrated by an arrow 330.
Zu beachten ist, dass ein einzelner MOSFET die Spannung nur in eine Richtung blockieren kann. Um Spannungen in beide Richtungen zu blockieren bzw. zu sperren, sollte eine Diode in dem Pfad angeordnet werden, um einen It should be noted that a single MOSFET can only block the voltage in one direction. To block voltages in both directions, a diode should be placed in the path to one
unidirektionalen Stromfluss zu ermöglichen. Wenn der höhere Schalter Si leitet und ein Strom positiv in die Induktivität fließt, wird der Spannungsabfall Ui - U2 durch einen MOSFET bzw. Schalter 300 gehalten, da die Diode DQ2 310 leiten würde, weil ihre Anodenspannung Ui höher als die Kathodenspannung U2 ist. Das Gegenteil gilt, wenn der untere Schalter leitet. Während dieses Betriebs wird die Spannung am Punkt A 312 auf null nach unten gezogen, während die Spannung am Punkt B 314 positiv sein wird, nämlich U2. Daher wird die Diode DQ1 in Vorwärtsrichtung betrieben und würde leiten, wenn der Schalter Q2 nicht verwendet werden würde. to allow unidirectional flow of current. When the higher switch conducts Si and a current positively flows into the inductor, the voltage drop Ui-U 2 is held by a MOSFET 300 because the diode D would conduct Q2 310 because its anode voltage Ui is higher than the cathode voltage U 2 is. The opposite is true when the bottom switch is conducting. During this operation, the voltage at point A 312 is pulled down to zero while the voltage at point B 314 will be positive, namely U 2 . Therefore, the diode D Q1 is operated in the forward direction and would conduct if the switch Q 2 were not used.
Folglich ist, um die Spannung in beide Richtungen zu sperren und gleichzeitig einen bidirektionalen Stromfluss zu ermöglichen, ein weiterer MOSFET, also insgesamt zwei MOSFETs für S3, erforderlich. Im Modulationsschema A nutzen die beiden MOSFETs das Signal am Gate-Anschluss gemeinsam und ihre Source-Anschlüsse sind miteinander verbunden. Im Modulationsschema B werden die beiden MOSFETs getrennt voneinander gesteuert. Consequently, in order to block the voltage in both directions while allowing a bidirectional current flow, another MOSFET, that is a total of two MOSFETs for S 3 , is required. In Modulation Scheme A, the two MOSFETs share the signal at the gate terminal and their source terminals are interconnected. In modulation scheme B, the two MOSFETs are controlled separately.
Die Betriebsspannung der Back-to-Back-MOSFETs muss der High-Side- Spannung entsprechen, da, wenn ein MOSFET in eine Richtung sperrt, die Diode des MOSFETs in Reihe leiten wird, weil diese in Vorwärtsrichtung betrieben ist und daher der gesamte Sperrspannungsabfall an einem einzelnen MOSFET Q, angelegt sein wird, wobei i = 1 , 2 ist. Der schlimmste Fall einer Sperrspannung tritt auf, wenn die Ausgangskapazität noch nicht geladen ist und daher die MOSFETs die vollständige maximale Spannung (High-Side-Voltage) aushalten müssen, in diesem Fall Ui, wobei Ui > U2. The operating voltage of the back-to-back MOSFETs must correspond to the high-side voltage, because if a MOSFET blocks in one direction, the diode of the MOSFET will conduct in series because it is forward-biased and therefore, the total reverse voltage drop will be applied to a single MOSFET Q, where i = 1, 2. The worst case reverse voltage condition occurs when the output capacitance is not yet charged and therefore the MOSFETs must endure the full maximum voltage (high side voltage), in this case Ui, where Ui> U 2 .

Claims

Ansprüche claims
1. Bidirektionaler Gleichspannungswandler (10) mit einer Anzahl an Schaltern (16, 18, 300, 302) und einem Zwischenspeicher (28), wobei parallel zu dem Zwischenspeicher (28) ein weiterer Schalter (34) geschaltet ist, wobei der weitere Schalter (34) derart eingerichtet ist, dass dieser bidirektional sperren kann. 1. Bidirectional DC-DC converter (10) with a number of switches (16, 18, 300, 302) and a latch (28), wherein parallel to the latch (28), a further switch (34) is connected, wherein the further switch ( 34) is set up in such a way that it can block bidirectionally.
2. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, bei dem der weitere Schalter (34) mit zwei Back-to- Back-Transistoren realisiert ist, die getrennt ansteuerbar sind. 2. DC-DC converter according to claim 1, wherein the further switch (34) is realized with two back-to-back transistors, which are controlled separately.
3. Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als 3. DC-DC converter according to claim 1 or 2, wherein as
Zwischenspeicher (28) eine Induktivität dient. Latch (28) an inductance is used.
4. Gleichspannungswandler nach Anspruch 3, bei dem als Induktivität eine Spule dient. 4. DC-DC converter according to claim 3, wherein the inductance is a coil.
5. Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der eine 5. DC-DC converter according to one of claims 1 to 4, a
Halbbrückenstruktur aufweist. Half-bridge structure has.
6. Verfahren zum Wandeln einer Gleichspannung mit einem 6. A method for converting a DC voltage with a
Gleichspannungswandler (10) der Schalter (16, 18, 300, 302) und einen DC-DC converter (10) of the switches (16, 18, 300, 302) and a
Zwischenspeicher (28) aufweist, zu dem parallel ein weiterer Schalter (34) geschaltet ist, der dazu eingerichtet ist, bidirektional zu sperren, insbesondere mit einem Gleichspannungswandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei im Betrieb der weitere Schalter (34) angesteuert wird. Latch (28), to which a further switch (34) is parallel connected, which is adapted to bidirectionally lock, in particular with a DC-DC converter (10) according to one of claims 1 to 5, wherein in operation the further switch (34 ) is driven.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Gleichspannungswandler (10) in einem Modulationsschema A betrieben wird, in dem der weitere Schalter (34) mit einem Signal angesteuert wird. 7. The method of claim 6, wherein the DC-DC converter (10) is operated in a modulation scheme A, in which the further switch (34) is driven with a signal.
8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Gleichspannungswandler (10) in einem Modulationsschema B betrieben wird, in dem die zwei Back-to-Back- Transistoren des weiteren Schalters (34) getrennt angesteuert werden und mindestens zwei verschiedene Schalteinheiten umfassen. 8. The method of claim 6, wherein the DC-DC converter (10) is operated in a modulation scheme B, in which the two back-to-back transistors of the further switch (34) are controlled separately and comprise at least two different switching units.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem eine Aufwärtswandlung vorgenommen wird. 9. The method according to any one of claims 6 to 8, wherein an up-conversion is performed.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem eine Abwärtswandlung vorgenommen wird. 10. The method according to any one of claims 6 to 8, wherein a down conversion is performed.
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